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Diseño de amplificadores con transistores bipolares de unión

Enviado por wlozano



Indice
1. Análisis de redes de dos puertos
2. Aplicaciones de los amplificadores con transistores
3. Acoplamiento de amplificadores
4. Divisor de fase

1. Análisis de redes de dos puertos

Fórmula de ganancia de impedancia
Se deriva una relación importante entre las cantidades de ca de ganancia de tensión, Av, y de ganancia de corriente, Ai.
La formula de tensión se define como

y la ganancia de corriente como

La ecuación (3.1) se llama formula de ganancia de impedancia y se utiliza a lo largo de este texto.

Parámetros híbridos
En un sistema de cuatro terminales existen cuatro variables de circuito: la tensión y la corriente de entrada, y la tensión y corriente de salida. Estas cuatro variables se pueden relacionar por medio de algunas ecuaciones, dependiendo de cuales variables se consideren independientes y cuales dependientes.
El par de ecuaciones de parámetros híbridos (parámetros h) (y su circuito equivalente) se utiliza a menudo para análisis de circuitos con BJT.

Cuando se utilizan los parámetros h para describir una red de transistores, el par de ecuaciones se escribe como sigue:
Donde los parámetros h se definen como:
hi = h11 = resistencia de entrada del transistor
hr = h12 = ganancia de tensión inversa del transistor
hf = h21 = ganancia directa de corriente del transistor
h0 = h22 = conductancia de salida del transistor

Cuando los parámetros h se aplican a redes de transistores, toman un significado práctico en relación con el desempeño del transistor.
Cuando los parámetros de entrada y de salida se igualan en forma individual a cero, cada parámetro híbrido representa ya sea
una resistencia, una conductancia , una razón de dos tensiones o una razón de dos corrientes.

Es muy útil cd contar con alguna forma de distinguir entre las tres configuraciones, es decir, EC, CC y BC. Se añade un segundo subíndice a cada parámetro híbrido para proporcionar esta distinción. Por ejemplo, un circuito en EC suele tener hi en el circuito de base, y se cambia a hie. De manera similar para BC, hi se cambia por hib, y para CC, se cambia a hic. Los tres valores se relacionan entre sí como sigue

El valor real de es función del punto de operación (ICQ) del transistor es. En la porción plana de la curva de iC contra vCE con iB constante, el cambio en  es pequeño. Conforme el transistor se aproxima a la saturación,  empieza a caer. A medida que el transistor se aproxima a corte,  también se aproxima a cero.

Resistencia de entrada en cortocircuito
Se explora el valor de los parámetros antes de abordar la utilización de los circuitos equivalentes para el diseño y análisis. Primero se desarrollan las ecuaciones para hie y hib, que muestran la dependencia de estos parámetros respecto a la ubicación del punto de operación.

La ecuación anterior es útil para estimar el valor de hib.

Parámetros en EC
Las ecuaciones que definen los parámetros de amplificación en ca se resumen en la tabla 3.1 y se derivan en las siguientes secciones. Obsérvese que la tabla proporciona dos ecuaciones de definición para cada parámetro. Estas se denominan como forma larga y forma corta. La ecuación en forma corta es una versión simplificada de la ecuación en forma larga y se deriva haciendo suposiciones acerca de los tamaños relativos de algunos de los parámetros. Se anotan suposiciones necesarias conforme se deriva cada ecuación; las suposiciones se encuentran en la tabla.

Resistencia de entrada, Ren
Se utiliza el circuito de parámetros híbridos para derivar la ecuación de la resistencia de entrada para cada tipo de configuración del amplificador. En circuito equivalente de la figura 3.5 (b) se utiliza para derivar la resistencia de entrada, Ren. En general, b es bastante grande para aproximar 1 + b como b . La corriente en RE es, por tanto, aproximadamente igual a b ib.

(3.10)

Si RB es despreciable comparada con b RE, la ecuación (3.10) se puede simplificar más hacia la forma.
Ganancia de tensión, Av
La relación de división de corriente aplicada a la salida de la figura 3.5(b) da

El signo negativo resulta de la dirección opuesta de b ib con respecto a iL. Entonces

(3.12)

Ganancia de corriente, Ai
La ganancia de corriente se encuentra a partir de la formula de ganancia de impedancia, ecuación (3.1).

Resistencia de salida, R0
La fuente de corriente ideal exhibe una impedancia infinita, ya que se mide la resistencia de salida como la entrada en circuito abierto (es decir, ib = 0). La resistencia de salida para el transistor EC es entonces

Por lo general, el parámetro hoe es bastante pequeño como para ser despreciado en los cálculos, de modo que la magnitud de la resistencia de salida del transistor se vuelve infinita.

Alinealidades de los BJT
En la sección 2.4.2 se vio que un transistor opera en forma lineal excepto en las regiones de corte y saturación. La operación en estas regiones o cerca de ellas provoca una reproducción distorsionada de la señal de entrada. Por tanto, se deben evitar las regiones sombreadas.

Parámetros para el amplificador CC (ES)
Resistencia de entrada, Ren
El circuito ES (emisor-seguidor) se muestra en la figura 3.10. Como antes, C1 y C2 se consideran cortocircuitos para frecuencias medias.
Ren = RB

Ganancia de tensión, Av
La ganancia de tensión esta dada por
Si hib es pequeña comparada con RE ç ç RL, como es común, se obtiene la expresión en forma corta
Av = 1

Ganancia de corriente, Ai
Como
Ai = RB/RL

Resistencia de salida, R0
La resistencia de salida depende de los parámetros de entrada Rs y RB, a diferencia del resultado para el amplificador EC, donde R0 depende solo de RC.

Parámetros para el amplificador BC
El circuito BC se dibuja a menudo con orientación horizontal, como se ve en la figura 3.12(a). Sin embargo, el circuito es más fácil de entender cuando se dibuja como la figura 3.12(b). De esta configuración, es fácil ver que la polarización es idéntica a la del amplificador EC.

Resistencia de entrada, Ren
La ecuación en forma larga para Ren se deriva en seguida. La corriente en Ren es ien + (1+b )ib.

(3.25)

La ecuación en forma corta se obtiene suponiendo que hib << RE y RB << b RE. Entonces
Ren = hib + RB/b (3.26)

Ganancia de corriente, Ai
La ganancia de corriente para el circuito de la figura 3.13 se encuentra de la siguiente forma:

(3.27)

Entonces, si RB << b RE y hib << RE, se obtiene la expresión en forma corta de la ecuación (3.28)

Ganancia de tensión, Av
La formula de ganancia de impedancia de la ecuación (3.1) se utiliza para encontrar Av. Se usan Ai de la ecuación (3.27) y Ren de la ecuación (3.25) para obtener la expresión en forma larga de la ecuación
No se puede simplificar más la ecuación (3.29) ya que hib es aproximadamente igual a RB/b . Si se añade un capacitor de paso entre base y tierra, RB/b se elimina de la ecuación (3.29) y la expresión se simplifica a

Resistencia de salida, R0
Como en el caso del amplificador EC, el generador de corriente dependiente, b ib, presenta una resistencia elevada por tanto,
R0 = RC

2. Aplicaciones de los amplificadores con transistores

Se ha encontrado que el amplificador EC posee ganancias de tensión y de corriente significativas con altas impedancia de entrada y salida. La impedancia de entrada alta es deseable, mientras que la impedancia de salida alta tiene algunos problemas. Notése que a mayor impedancia de salida, menor es la corriente que se puede extraer del amplificador sin que haya una caída significativa en la tensión de salida. En ese se utiliza más para amplificación de tensión. Puede proporcionar una exclusión grande en la tensión de salida, que se convierte en la entrada de la siguiente etapa del sistema

El amplificador ES (CC) proporciona ganancia de corriente alta con impedancia de salida baja. Se puede utilizar como una especie de compuerta de potencia entre un EC y una carga que demandante corriente. El CC es un amplificador de potencia y también una etapa de acoplamiento de impedancia. Este amplificador se encuentra normalmente en la etapa final de salida de un amplificador de señal, pues no sólo baja el valor de la impedancia sino que proporciona la potencia necesaria para excitar la carga.

El amplificador BC tiene una impedancia de entrada baja y una impedancia de salida relativamente alta. El BC se pueden utilizar como amplificador de tensión. Este amplificador es menos sensible a la frecuencia que los otros tipos de amplificador, y se utiliza a menudo entre circuitos integrados para proporcionar una salida con intervalo amplio de frecuencia.

3. Acoplamiento de amplificadores

Cuando un sistema está compuesto por más de una etapa de transistores, es necesario conectar, o acoplar, los transistores entre sí. Existen muchas formas comunes de lograr esta interpretación entre amplificadores. En las siguientes secciones se analizan los acoplamientos directo, capacitivo, por transformador y óptico.

Acoplamiento directo
Dos amplificadores están acoplar es directamente si la salida del primer amplificador se conecta en forma directa a la entrada del segundo sin utilizar capacitores. La salida en ca de la primera etapa está superpuesta con el nivel de cd estático de la segunda etapa. El nivel de cd de la salida de la etapa anterior se suma al nivel de cd de polarización de la segunda etapa. Para compensar los cambios en los niveles de polarización, en amplificador utiliza diferentes valores de fuentes de tensión de cd en lugar de una fuente de Vcc sencilla.

El acoplamiento directo se pueden utilizar de manera efectiva al acoplar en amplificador EC a uno ES. El amplificador acoplado directamente tiene una buena respuesta en frecuencias pues no existen elementos de almacenamiento en serie (es decir, sensibles a la frecuencia) que afecten la señal de salida en baja frecuencia.

Acoplamiento capacitivo
Constituye la forma más simple y efectiva de desacoplar los efectos del nivel de cd de la primera etapa amplificador, de aquellos de la segunda etapa. En capacitor separa el componente de cd de la señal de ca. Por tanto, la etapa anterior no afecta la polarización de la siguiente. Para asegurar que la señal no cambie de manera significativa por la adición de un capacitor, es necesario que esté se comporte como cortocircuito para todas las frecuencias a amplificar.

Acoplamiento por transformador
Se puede utilizar un transformador para acoplar dos etapas del amplificador. Este tipo de acoplamiento se utiliza a menudo cuando se amplifican señales de alta frecuencia. Los transformaciones son más costosos que los capacitores, aunque sus ventajas pueden justificar el costo adicional. A través de una elección adecuada de la razón de vueltas, se puede utilizar un transformador para aumentar ya sea la ganancia de tensión o bien la de corriente fondo. Por ejemplo, encina etapa de salida de el amplificador vez potencia, en transformador se utiliza para aumentar la ganancia de corriente. Existen otros beneficios asociados con el uso de un transformador. Por ejemplo, el transformador se puede sintonizar para resonar de manera que se convierta en un filtro pasa-banda (filtro que pasa las frecuencias deseadas y atenúa las frecuencias que quedan fuera de la banda requerida).

Acoplamiento óptico
Muchas aplicaciones requieren el acoplamiento óptico de circuitos electrónicos. Estas aplicaciones se pueden clasificar como sigue:
- dispositivos sensibles a la luz y emisores de luz.
- detectores y emisores discretos para sistemas de fibra óptica.
- módulos interruptor/ reflector que detectan objetos que modifican la trayectoria de la luz.
- aisladores /acopladores que transmiten señales eléctricas sin conexiones eléctricas.

4. Divisor de fase

El divisor de fase, mostrado en la figura 3.22, es un amplificador que simultáneamente es EC y sesenta. Se eligen Rc = RE = RL tal y la tensión de salida en el colector tenga igual magnitud que la tensión de salida en emisor, pero estas tensiones se hallan 180° fuera de fase. Las dos señales de salida de este circuito son aproximadamente iguales en amplitud a la señal de entrada: esto está, las razones de ganancia de tensión son aproximadamente iguales a uno, en magnitud. Las dos salidas resultantes de una entrada sonoridad se muestra en la figura. En el emisor, la salida está en fase con la señal de entrada, mientras que la salida de colector estaciones 180° fuera de fase con la señal de entrada.

Análisis del amplificador multietapa
A menudo los amplificadores se conectan en serie (cascada), como se muestra en la figura 3.23. La carga en el primer amplificador es la resistencia de entrada del segundo amplificador. No es necesario que las diferentes etapas tengan las mismas ganancias que tensión y de corriente. En la práctica, las etapas iniciales suelen ser amplificadores de tensión y la última o las dos últimas son amplificadores de corriente. La ganancia en una etapa se determina por la carga de ésta, que se gobierna por la resistencia de entrada de la siguiente etapa. Por tanto, cuando se diseñan o analizan amplificadores multietapa, se inicia en la salida y se continúa hacia la entrada.

Dispositivos de cuatro capas
Se han analizado dispositivos de dos capas (diodo) y de tres capas (transistores). El éxito de los dispositivos de tres capas, como el BJT y el transistor de efecto de campo (FET, field-effect transistor) condujo a los investigadores al concepto del dispositivo de cuatro capas. Con la capacidad de manufactura aumentada, los dispositivos de cuatro capas no presentan mayores problemas de fabricación.

Rectificador controlado de silicio (SCR)
El rectificador controlado de silicio (SCR, silicon-controlled rectifier) es un dispositivo de cuatro capas (pnpn) con características de conmutación muy utilies. Se trata de un miembro de la familia de tiristores y se utiliza en controles de relevadores, calentamiento por inducción, limpieza ultrasónica y circuitos de control. Los SCR se pueden construir para control de potencia en la región de megawatts y soportan corrientes hasta de 1500 A a 2000 V. Los intervalos de frecuencia están un poco limitados, pero algunos SCR son capaces de trabajar a frecuencias de hasta 50 kHz.

Conmutador controlado de silicio (SCS)
El conmutador controlado de silicio (SCS silicon-controlled switch) se construye en forma similar al SCR excepto que ambas capas centrales se conectan a compuertas; una se denomina compuerta de ánodo y la otra, compuerta de cátodo.

DIAC y TRIAC
El DIAC, o diodo de disparo, es un dispositivo de dos terminales que se puede disparar en cualquier dirección. El dispositivo opera en la región inversa y la ruptura se produce en cualquier dirección cuando la tensión aumenta hasta el nivel necesario. Estos dispositivos se utilizan a menudo en el circuito de compuerta de un SCR para empezar la acción de compuerta.
El TRIAC es similar al DIAC excepto que tiene una terminal de compuerta para controlar el encendido para cualquier polaridad de tensión entre los dos ánodos.

 

 

Autor:


Alberto Guillermo Lozano Romero


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